数值模拟顶部籽晶溶液生长法制备单晶碳化硅的研究进展

宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)凭借着其高击穿场强、高热导率、耐高温、高化学稳定性和抗辐射等优异性能,在电力电子器件领域尤其是高温、高频、高功率等应用场景下有着巨大潜力。大尺寸、高质量、低成本的单晶SiC的制备是SiC相关半导体产品规模化应用的前提。顶部籽晶溶液生长(TSSG)法生长的单晶SiC有着晶体质量高、易扩径、易p型掺杂等优势,有望成为制备单晶SiC的主流方法。但目前由于该方法涉及的生长机理复杂,研究者对其内部机理的理解还不够充分,难以对TSSG生长设备和方法进行有效的改进与优化。利用计算机对TSSG法生长单晶SiC生长过程进行数值模拟被认为是对其内部机理探究的有效途径之一。本文首先回顾了TSSG法生长单晶SiC和相关数值模拟分析的发展历程,介绍了TSSG法生长单晶SiC和数值模拟的基本原理,然后介绍了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC模型涉及的主要模块、影响单晶生长的主要因素(如马兰戈尼力、浮力、电磁力等),以及对数值模型的优化方法。最后,指出了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC在未来的重点研究方向。     

YAlO3∶Ce晶体的生长及性能研究

本文采用中频感应提拉法生长了尺寸为ø35 mm×70 mm的完整的YAlO₃∶Ce(YAP∶Ce)晶体。XRD测试结果表明所生长的YAP∶Ce晶体主相为YAP相,同时存在第二相YAG相;光致激发发射光谱表明晶体发射波长在344 nm和376 nm,激发波长分别为273 nm、290 nm和305 nm;X射线激发发射光谱表明晶体发射波长在377 nm附近;在γ高能射线激发下,晶体衰减时间曲线呈指数衰减,拟合后得到YAP∶Ce晶体的衰减时间为46 ns,通过高斯拟合以后YAP∶Ce晶体的能量分辨率和绝对光产额分别为8.51%和8 530 ph/MeV。本文分析了晶体生长过程中产生开裂和相变的原因,通过优化温场和工艺可以得到完整无开裂的晶体。如何获得更大尺寸的无开裂、无相变晶体,并实现量产是该晶体规模化应用中需要解决的重要技术难题。     

高温溶液法生长SiC单晶的研究进展

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有很好的应用潜力。高质量、大尺寸、低成本SiC单晶衬底的制备是实现SiC器件大规模应用的前提。受技术与工艺水平限制,目前SiC单晶衬底供应仍面临缺陷密度高、成品率低和成本高等问题。高温溶液生长(high temperature solution growth, HTSG)法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易扩径、易实现p型掺杂等独特的优势,有望成为大规模量产SiC单晶的主要方法之一,目前该方法的主流技术模式是顶部籽晶溶液生长(top seeded solution growth, TSSG)法。本文首先回顾总结了TSSG法生长SiC单晶的发展历程,接着介绍和分析了该方法的基本原理和生长过程,然后从晶体生长热力学和动力学两方面总结了该方法的研究进展,并归纳了该方法的优势,最后分析了TSSG法生长SiC单晶技术在未来的研究重点和发展方向。     

多孔坩埚温度梯度法生长Ho,Y∶CaF2晶体及其光谱性能

采用自主设计改造的温梯炉,成功生长了不同浓度Ho³⁺、Y³⁺掺杂的CaF₂及Sr_xCa_1-xF₂晶体,晶体尺寸约为ϕ15 mm×55 mm,生长周期约为6 d,能够实现7种不同浓度晶体的同步生长,并选取其中的4%(原子数分数)Ho,4%Y∶CaF₂晶体进行分析,吸收测试表明,该晶体448 nm和643 nm处吸收峰的吸收截面分别是1.13×10^-20 cm²和0.84×10^-20 cm², J-O理论分析得到了晶场强度参数Ω_t(t=2、4、6)、辐射跃迁几率、荧光分支比和辐射寿命。在448 nm氙灯激发下,经计算得到该晶体在546 nm、650 nm 和752 nm处的发射截面分别为10.450×10^-21 cm²、8.737×10^-21 cm²和5.965×10^-21 cm²,测得⁵F₄和⁵F₅能级的寿命分别为33.5 μs和17.7 μs。在640 nm LD泵浦激发下,经计算得到该晶体2 031 nm处发射截面为5.375×10^-21 cm²,2 847 nm处发射截面为10.356×10^-21 cm²,测得⁵I₇和⁵I₆ 能级的寿命分别为4.37 ms 和1.85 ms。以上结果表明,多孔坩埚温梯法能够大大提高激光晶体稀土离子掺杂浓度筛选的效率,加快新型激光晶体材料的研发速度。     

掺Sr2+溴化铈晶体的生长与闪烁性能研究

采用坩埚下降法生长了直径为25.4 mm的纯溴化铈晶体和0.1%、0.2%和0.5%(摩尔分数)Sr²⁺掺杂的溴化铈晶体。将所生长晶体加工成直径25.4 mm、厚度10 mm的坯件,并进行紫外和X射线激发荧光光谱、¹³⁷Cs源激发多道能谱等测试。结果表明:Sr²⁺掺杂会导致晶体X射线激发下的发射光谱出现轻微红移,而随着Sr²⁺掺杂量的增加,晶体的能量分辨率依次提高,光输出依次降低;当Sr²⁺掺杂量为0.5%时,溴化铈晶体的能量分辨率最高,达3.83%@662 keV,但过高含量的Sr²⁺掺杂会造成晶体生长困难。综合考虑晶体性能和生长情况,Sr²⁺掺杂量为0.2%时较为适宜,所获得的ϕ25.4 mm×25.4 mm CeBr₃∶0.2%Sr晶体封装件的能量分辨率为3.92%@662 keV。     

晶体人生丨介万奇:辐射探测半导体晶体拓荒者

介万奇教授是我国人工晶体领域著名专家,在晶体生长与凝固技术方面取得了诸多令人瞩目的成就,尤其在室温核辐射探测用CdZnTe晶体的生长、器件制备及其产业化方面成绩显著。本次访谈中,介万奇教授从学科发展角度和国家实际需求出发,简要回顾了自身如何与功能晶体结缘,介绍了近些年带领团队在Ⅱ-Ⅵ族半导体晶体生长理论、工艺技术及应用等方面取得的进展。着重阐述了室温核辐射探测器用碲锌镉(CdZnTe)晶体的重要价值,以及半导体晶体在辐射探测领域的应用前景与挑战,并结合自身实践进一步分享了对做科研和做产业、基础理论和工程应用之间不同的理解与认识。针对我国晶体材料未来的发展,建议科研人员可多从物质新性能或新机理角度开展研究,这将对探索新材料有重要参考。     

KBBF深紫外非线性光学晶体最新研究进展

本文系统介绍了我国KBBF深紫外非线性光学晶体的最新研究进展.包括从KBBF晶体的发现历程,KBBF晶体生长、棱镜耦合器件技术的发展,以及产生深紫外相干光源的能力,到这些深紫外相干光源的应用,尤其在超高分辨率光电子能谱仪方面的应用及最新研究成果.     

Bi12SiO20晶体下降法生长及Pt包裹缺陷研究

采用改进的坩埚下降法成功生长了硅酸铋Bi12SiO20(BSO)单晶,探讨了工艺参数对晶体生长的影响.用电子探针方法研究了硅酸铋晶体中的铂金包裹体及其相关缺陷.铂金包裹物的尺寸一般在30μm～5mm之间.包裹物经常导致晶体开裂,使成品率大为降低.铂坩埚中的杂质是导致坩埚受侵蚀的主要原因,通过延长铂坩埚熔炼时间和适当降低晶体生长炉温,可明显减少铂包裹体及其相关缺陷.通过优化生长工艺,获得了尺寸为50mm×35mm×35mm的优质BSO单晶.     

掺铈硅酸钆闪烁晶体的研究进展与发展方向

本文综述了铈离子掺质硅酸钆(Ce:Gd2SiO5)闪烁晶体的结构、闪烁性能、闪烁机理及晶体生长的研究现状,重点讨论了Ce:GSO闪烁晶体生长的研究进展;提出了硅酸钆闪烁晶体未来研究发展的几个方向为:大尺寸晶体的生长、高光输出的研究、混合型硅酸钆晶体的研究等.     

γ-LiAlO2晶体的生长及掺镓研究

由于与GaN晶格失配小(约1.4;),γ-LiAlO2单晶有望成为GaN外延衬底材料.本文首先使用提拉法生长出了尺寸达φ45×50mm3的γ-LiAlO2单晶,然后采用Ga2O3作为掺杂剂,仍用提拉法生长出了三种不同掺镓浓度的LiAl1-xGaxO2(x=0.1,0.2,0.3)晶体,并用X射线粉末衍射(XRPD)分别对晶体及坩锅中剩余的熔体的成份进行了表征.结果表明LiAl-xGaxO2(x=0,0.1,0.2,0.3)晶体归属于γ-LiAlO2结晶结构,Ga3+离子部分地取代Al3+离子,发生分凝且分凝系数小于1.